JP2007048344A - 光ディスク及び光ディスク再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の超解像再生方法においては、光ディスクに照射するレーザー光のパワーにより、この光スポットの大きさは変化するため、記録パターンの大きさごとに超解像再生のための最適なレーザーパワーを決定する必要があった。
【解決手段】 本願発明の光ディスクは、主として記録層と粘性が変化する材料層によって構成される。記録層に記録された情報を再生するためのレーザー光が照射されると、粘性が変化する材料層の結晶性薄膜の一部が軟化することにより、その軟化部分の光学定数が変化し、軟化部の境界面において、光学定数の不連続面が発生し、リング状の特異領域が光スポット内に形成される。このリング状の特異領域によって解像限界以下の大きさの記録パターンをそれ以上の大きさの記録パターンと同等の信号強度で再生することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、記録マークにレーザー光を照射することにより、情報を再生する光ディスク、特に解像限界以下の記録マークを再生するための付加構造を有することにより、解像限界以上及び解像限界以下の記録マークを共に再生する光ディスクに関する。また、本願発明は、光ディスク再生装置に関し、特に解像限界以下の大きさを含む記録マークの再生が可能な光ディスク再生装置に関する。

例えばコンパクトディスクやデジタルビデオディスクなどの光ディスクは、基板上に記録層と、記録をレーザー光で読み出すための反射率制御と記録層保護を行うための誘電体層及び反射層から構成されている。

記録は、反射率の異なる２つの部分で構成され、うち一方を記録マークと呼び、レーザー光波長λと対物レンズの開口数NAの再生光学系において、記録マークはレーザー走査方向の大きさで、光の回折限界（λ/2NA）の約半分の解像限界（λ/4NA）といわれるよりも大きい場合に再生可能である。

このような光ディスクにおいて、高密度化を図るためには、波長λを短くするか、NAを高くすることが必要であるが、現在使われ始めている波長405 nmのレーザー光より波長を短くすると、従来使われている可視波長域で透明な材料を紫外波長域で透明な材料に変更する必要があり、またNAを0.85より高くすると、レーザー光照射及び反射光検出のための光ピックアップ部と光ディスクとの間の距離が接近し、不意の接触による記録データ破損の危険性が高まる。

解像限界以下の大きさの記録マークを再生する方法として、光ディスクにレーザー光スポットを小さくするための構造を付加する方法が提案されている。この構造としては、例えば、レーザー光照射に伴う温度上昇により液相化する材料（下記特許文献１参照）や禁制帯幅が変化する半導体材料（下記非特許文献１参照）を用いることが検討されている。
特許第３１６０６３２号 M. Yamamoto, G. Mori, H. Tajima, N. Takamori and A. Takahashi,Japanese Journal of Applied Physics 43, 4959(2004)

いずれの場合も、光ディスクに照射するレーザー光のパワーにより、この光スポットの大きさは変化するため、記録パターンの大きさごとに超解像再生のための最適なレーザーパワーを決定する必要があった。

図1の本願発明に係る光ディスクの一例の断面図に示すように、本願発明の光ディスクは、主として記録層3と粘性が変化する材料層5によって構成される。

記録層３に記録された情報を再生するためのレーザー光が照射されると、粘性が変化する材料層５の結晶性薄膜の一部が軟化することで、その軟化部分の光学定数が変化する。このとき、非軟化部と軟化部の境界面において、光学定数の不連続面が発生する。レーザーを光源として用いた場合には、図２に示すように、集光スポット内部での光、あるいはそれによって発生する熱分布はガウス分布と呼ばれる正規分布型の強度分布を呈することから、光学定数の不連続面はリング状または部分的なリング状の特異領域が光スポット内に形成される。このリング状または部分リング状の特異領域によって解像限界以下の大きさの記録パターンをそれ以上の大きさの記録パターンと同等の信号強度で再生することが可能となる。

本願発明においては、粘性が変化する材料層５は、光強度あるいは温度があるしきい値以上になると、高温領域においては粘性が低下し、物質流動と内部応力の均衡によってボイドが発生するという特徴がある。ここでボイドとは、粘性が変化する材料層５に発生する空孔であり、内部は真空であるらしいと考えられている。ボイドの発生は、光学顕微鏡による反射率の低下（あるいは透過率の上昇）又は断面を透過型電子顕微鏡で観察することにより確認できる。

この過程においては、光学定数、例えば屈折率、ディスクからの反射率及び透過率に著しい挙動が観察されることから、この挙動が発生する光強度を予めディスク記録領域以外のトラックを用いて確認しておけば、超解像のために必要な屈折率不連続面が発生するしきい値再生パワーを決定することができる。

従来の液相及び光のバンドギャップを用いる超解像再生方法においても、しきい値以上の光強度又は温度以上において超解像再生のための領域（これらを光開口型と呼ぶ）が発生するが、それらの領域は、高温領域を含む円形あるいは楕円形状をしたものであり、光強度や温度がしきい値以上にあがった場合、その強度に依存して超解像領域（光開口径）も拡大し、大きなパターンや小さなパターンをランダムに混合した信号記録パターンを読み出す場合には、そのパターンに応じて光強度や温度を制御するという複雑な電子回路を必要とした。

しかし、本願発明においては、結晶材料の高温低粘性領域と低温高粘性領域との境界面において発生する光学定数の不連続面を超解像再生に用いることで、ランダムパターンからなるピット毎に再生パワーを調整することなく、一意に決定した再生レーザーパワーであらゆる長さのピットでも同等の信号強度で再生することが可能となる。

図３に、その光ディスクの一例の、搬送波対雑音比と再生レーザーパワーの関係を示した。図にあるように、解像限界以下の200 nmの大きさのマークを記録した状態（本実験装置においては、レーザーの波長は、635nmであり、集光レンズのＮＡは、0.60であるから、解像限界は、635/4/0.60=265nmであり、200nmのマークを再生することはできない。）において、再生のためのレーザーパワーを変化させると、屈折率不連続面が発生するレーザーパワーの4.0mWより高い、4.2mW以上で搬送波対雑音比が40dB以上となる結果が得られている。

また、公知の他の光超解像光ディスクにおいては、超解像領域が再生レーザー強度に応じて拡大するため、しきい値パワーが1mW以上のばらつきが発生するが、本願発明においては、屈折率不連続面を利用しているため、いかなる長さのピットを再生しても、しきい値幅が0.5mW以下と狭い。つまり、しきい値より約0.5mW程度高い再生パワーに一旦調整すれば、以降、再生時に調整することは不要となる。

屈折率不連続面を発生させる材料は、従来の液相化や禁制帯幅変化と異なり、結晶間相転移によって結晶相を構成している元素の電子分極率が変化することによって発生すると考えられる。この他に、本願発明の光ディスク内部に発生する薄膜間応力によってパイエルス転移等の金属―非金属相転移等も考えられるが、詳細な原因は不明である。しかし、屈折率不連続面の発生は、従来の温度分布のみに依存するのではなく、レーザー光のパワー分布にも由来して起こるためであると考えられている。

再生の原理に関しては、図２に示した通り、レーザー光８が軟化を発生させる材料層５に入射したとき、レーザーパワーのしきい値以上の強度で軟化する層５の一部の領域（レーザーのスポット領域11）に軟化領域９が生じる。軟化領域９は、それ以外の領域と光学定数（たとえば屈折率）が異なる。このため境界面においては、光学定数が不連続となり、フーリエ光学の原理に基づけば多数の高空間周波数成分を含むことを意味する。したがって不連続面が薄ければ薄いほど多くの局在光が発生する。このとき、光学定数の境界面は、レーザー光の強度分布であるガウス分布から構成されるため、リング状１０または部分的なリング状となる。このリングに発生する局在光は、軟化する層５から離れるとベクトルポテンシャルを一定に保持しようとして互いの相互作用によってある部分１３に集光する。この局在光の集光点は、軟化領域９の大きさに関係することなく、軟化領域とそれ以外の領域との光学定数の差と境界面の厚さによって決定される。このため、局在光の集光点に回折限界以下の大きさの記録したピット等を配置すれば、集光した局在光によって大きな信号強度で微小なピットを感度よく再生できるものと考えられている。

上述したように本願発明においては、レーザー光によって粘性が変化する材料層に生じる屈折率不連続面を利用し、解像限界以下種々の大きさの記録マークを再生できるようにするものであるが、特に超解像再生を行うためのレーザーパワーを記録マークの大きさに依らず一定とすることができる。
また、搬送波対雑音比の高い超解像再生を行うことができる光ディスクを提供することができる。

以下に、発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。
本願発明は、図1にその光ディスクの一例の断面図を示すように、基板1上に第１の誘電体層２、記録層３、第２の誘電体層４、粘性が変化する材料層５、第３の誘電体層６を形成した構造とする。図１に示した例においては、記録層３と粘性が変化する材料層５のうち、記録層３を基板１に近い位置に形成した場合であるが、記録層３と粘性が変化する材料層５の位置は入れ替えても良く、基板１上に第１の誘電体層２、粘性が変化する材料層５、第２の誘電体層４、記録層３、第３の誘電体層６を形成した構造とすることができる。

本願発明においては、図４にその光ディスクの一例の断面図に示すように、基板7にあらかじめ記録、例えば凹凸による形状記録がなされていてもよく、基板７上に第１の誘電体層２、粘性が変化する材料層５、第２の誘電体層４を形成した構造とすることができる。

ディスク評価装置において、本願発明の光ディスクを回転させ、再生のためのレーザー光を粘性が変化する材料層5に照射すると、ディスク構造によって屈折率不連続面が発生すると考えられるレーザーパワーにおいて、ボイドが生成することが確認できる。図５に、透過型電子顕微鏡によるボイドの発生状況を示す。このボイドの発生から材料層が高粘性結晶相から低粘性結晶相へ転移したことが確認できる。

ボイドと材料層の境界面は材料層に凸の形状を持つことから、内部応力によって材料層がボイドを形成させながら収縮し、内部圧力の調整を行った紛れもない証拠である（図５参照）。

この時の温度は、コンピューターシミュレーション等で350℃から400℃付近であることが確認されており、融点である544℃に達する前に発生する。つまり、融解が生じていないことは明白である。また、材料層の示差熱分析等からも粘性が低下した結晶相に変化したことを確認することも可能である。

図６は、Sb₂Teと呼ばれる材料層の示差熱分析の結果である。バルクのペレットを用いて実験を行ったが、400℃から500℃の温度において著しい発熱反応を呈する。この材料組成の融点は、相図によれば544℃であるが、発明者等が測定した融点は、541℃であった。

すでにペレットは、結晶相であることがエックス線解析等で確認されているから、400℃から500℃の間において発生する発熱ピークは、結晶相が構造の異なる他の結晶相に転移したものと考えられる。この際、余分な内部エネルギーを放出する（示差熱分析で見られる400℃から500℃の間において発生する発熱ピーク）ことで、高温状態でより安定な結晶相に変化したものと考えられる。

また、同一組成のペレットを用いて測定した温度に対する反射率変化を図７に示す。反射率の変化は、300℃以上で始まって急激な変化を示すことから、屈折率不連続面が発生する温度は、融点である541℃より低いことが図６、図７より明白である。

本願発明の光ディスクにおいて、ボイドの生成は、スパイク状の反射率ノイズとなって観測することができる（図８参照）

この例においては、図１に示すように、ポリカーボネート基板１上に、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第１の誘電体層２を140 nm、PtOxから成る記録層３を4nm、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第２の誘電体層４を40nm、Ag₆In_4.4Sb₆₁Te_28.6から成る粘性が変化する材料層５を60nm、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第３の誘電体層６を100nm形成した。

この例においては、レーザー光波長λが635nm、開口数NAが0.60の光学系から成る光ディスク評価装置（パルステック工業株式会社製、DDU-1000）を使用した。

基板１の材料は、特に限定されないが、ガラス製の基板やプラスチック製の基板、例えばポリカーボネート基板などが使用できる。本実施例においてはポリカーボネート製基板を用いた。

第１の誘電体層２、第２の誘電体層４及び第３の誘電体層６の材料は、隣接する各層を保護し、光ディスク内の光強度分布を制御する役割を果たすが、半導体、例えば、Siや金属、例えば、Znの酸化物、硫化物、窒化物、またはこれらの組み合わせを主成分として使用することができ、具体的には、SiO₂、Si₃N₄、ZnO、ZnS、ZnS-SiO₂（ZnSとSiO₂の混合物）であってもよい。本実施例においては、記録型DVDやCDにおいて用いられる一般的な誘電体である(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅を用いた。

記録層３の材料としては、PtOxなど白金と酸素に熱分解した結果、その部分の光学定数が変化する材料が挙げられ、またレーザー光によって光学定数が変化し、かつ粘性が変化する材料層５にボイドが生成するよりも高いレーザーパワーにおいて、記録層３に形成された記録が消失しない材料であれば何でも良いが、本実施例においては、PtOxを用いた。

粘性が変化する材料層5の材料としては、レーザー光吸収による発熱によって高粘性の結晶相を低粘性の別の結晶相に転移させるために、レーザー光波長に対して不透明でかつ熱伝導率が低いという特性を有するものを選択した。上述した条件を満足するものとして、Sb、Bi、Teの各単体、Sb-Te、Sb-Bi、Bi-Te、Sb-Bi-Teの各化合物、さらに各単体を一方に含むSb-Zn、Te-Geが挙げられる。また、上記条件を満足する材料に、Ag、In、Geが不純物として含まれていても良い。本実施例においては、記録型CDやDVDで使用されているAg₆In_4.4Sb₆₁Te_28.6を用いた。

このようにボイドが生成し得る光ディスクにおいて、解像限界以下の200nmの大きさのマークを、線速が6m/s、レーザーパワーが13.0-13.5mW、周波数が15MHz、デューティー比が50％の条件で記録すると、記録層のPtOxが熱分解することによる変形記録が行われた。

上述の200nmの大きさのマークを記録した状態で、記録時と同じ線速度6m/sにおいて、レーザーパワー4.0mWでスパイク状の反射率ノイズ（図８）が観測され、これより高い4.6mWにおいて、搬送波対雑音比は45dBの実用的な信号強度が安定に得られた。

この例においても実施例１と同様の構成を用い、ポリカーボネート基板1上に、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第１の誘電体層２を140nm、PtOxから成る記録層3を4nm、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第２の誘電体層４を40nm、Sb₂Teから成る粘性が変化する材料層５を15nm、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第３の誘電体層６を100nm形成した。実施例１とは、粘性が変化する層の材料が異なっている。

このように形成された光ディスクに対し、実施例１と同じ光ディスク評価装置を用い、線速度4m/sにおいて、図８と同様のスパイク状の反射率ノイズの観測から、しきい値再生パワーは3.4mWであることがわかった。

解像限界よりも小さい200nm及び100nmのマークを記録し、再生のためのレーザーパワーを変化させたところ、図９に示すように、どちらの場合も2.8-3.4mWに搬送波対雑音比の立ち上がりが観測され、スパイク状の反射率ノイズが観測されるレーザーパワー以上において、超解像再生が可能であった。

この例においては、上述の図４で説明した構成を用いた場合で、あらかじめ形状記録が成されたポリカーボネート基板７上に、ZnOから成る第１の誘電体層２を50nm、Sb₂Teから成る粘性が変化する材料層５を15nm、ZnOから成る第2の誘電体層４を50nm形成した。

あらかじめ記録が成された基板７の材料は、特に限定されないが、ガラス製の基板やプラスチック製の基板、例えばポリカーボネート基板などが使用できる。

このように形成された光ディスクに対し、実施例1と同じ光ディスク評価装置を用い、線速度3.5m/sにおいて、図８と同様のスパイク状の反射率ノイズの観測から、しきい値再生パワーは2.8mWであることがわかった。

解像限界よりも小さい150nmのマークについて、再生のためのレーザーパワーを変化させたところ、図１０に示すように、2.6-3.0mWに搬送波対雑音比の立ち上がりが観測され、やはり、スパイク状の反射率ノイズが観測されるレーザーパワー以上において、超解像再生が可能であった。

この例においては、図１１に示すように、ポリカーボネート基板1上に、(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第１の誘電体層２を140nm、つぎに順番を変えて粘性が変化する材料層５を
Sb₂Teを使用して15nmの膜厚で形成した。その上に(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅から成る第２の誘電体層４を20nm,40nm、60nm,80nm,100nm,120nmとした６種類の異なる光ディスク作製した。

これらの光ディスク上に、さらに、PtOxから成る記録層３を4nm、最後に保護膜として第３の誘電体層６は、60nmの(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅を用いた。このような順番を変えた構造においても、粘性が変化する材料層５が超解像特性をもつため、同様の目的を達成することができる。

このように形成された６種類の異なる光ディスクに対し、実施例１と同じ光ディスク評価装置を用い、線速度2.0m/sにおいて、図８と同様のスパイク状の反射率ノイズの観測から、しきい値再生パワーをそれぞれ決定した。そのしきい値パワーから0.5mW高いパワーを本実施例４の再生パワーとして決定した。

これらの６種類の光ディスクに、大きさの異なる67nmから300nmまでの異なる大きさのピットを記録し、予め決定したそれぞれの再生パワーで超解像の信号強度を測定した。その結果を図１２に示す。その結果、250nm以下の超解像信号に対して、特に第二誘電体の膜厚が20,40,60nmの場合に大きな信号強度と解像度が得られ、中でも特に、20nmから40nmで信号強度が最大となり、局在光が著しく集光されていることがわかった。

また、様々な材料の実験より、構成する材料の元素および組み合わせの組成によって、局在光が集光する焦点位置が変化し、10nmから80nmの範囲で局在光の集光が顕著であり、良好な信号強度を得ることが可能であった。

本願発明に係る光ディスクの一実施例を説明するための断面図 本願発明に係る光ディスクの再生原理を説明するための図 本願発明を説明するための再生レーザーパワーと搬送波対雑音比の関係を示す図 本願発明に係る光ディスクの一実施例を説明するための断面図 本願発明に係る光ディスクにボイドが生成したときの透過型電子顕微鏡による断面像 示差熱分析による Sb₂Te材料の温度変化の図 Sb₂Te材料表面の反射率変化の図 光ディスク評価装置において観察した、本願発明に係る光ディスクに高粘性の結晶相を低粘性の別の結晶相に転移が生成したときに生じる、スパイク状の反射率ノイズを示すオッシロスコープ写真 本願発明を説明するための再生レーザーパワーと搬送波対雑音比の関係を示す図 本願発明を説明するための再生レーザーパワーと搬送波対雑音比の関係を示す図 本願発明に係る光ディスクの一実施例を説明するための断面図 第二誘電体の膜厚を変えたときに、本願発明の効果を示すための再生信号の搬送波対雑音比と記録ピット長の関係を示すための図

符号の説明

１ 基板
２ 第１の誘電体層
３ 記録層
４ 第２の誘電体層
５ 粘性が変化する材料層
６ 第３の誘電体層
７ あらかじめ記録が成された基板

Claims (10)

1. 光ディスクにおいて、基板上に情報を記録するための記録層及び光照射時に粘性が変化する材料層を備えたことを特徴とする光ディスク。
2. 請求項１に記載した光ディスクにおいて、前記材料層は、光強度又は温度に依存して粘性が変化することを特徴とする光ディスク。
3. 請求項１又は２に記載の光ディスクにおいて、前記材料層の特定領域にしきい値以上の光強度を有する光を照射するか、又は該特定領域を所定の温度以上にすることにより、該特定領域を該特定領域以外の領域よりも低粘性領域とすることを特徴とする光ディスク。
4. 請求項３に記載の光ディスクにおいて、前記特定領域と該特定領域以外の領域との境界面において光学定数が著しく変化することを特徴とする光ディスク。
5. 請求項４に記載の光ディスクにおいて、前記材料層の光学定数の変化によって、前記材料層を透過又は反射した光により前記材料層表面に発生する局在光が前記材料層表面からある距離x離れた点において集光することを特徴とする光ディスク。
6. 請求項５に記載の光ディスクにおいて、前記材料層表面からの距離xが１０ナノメートル以上、８０ナノメートル以下であることを特徴とする光ディスク。
7. 請求項４から６のいずれかに記載の光ディスクにおいて、前記材料層の光学定数の変化によって、前記記録層に予め書き込まれた光学解像限界以下の微小パターンを読み出すことを特徴とする光ディスク。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の光ディスクにおいて、前記材料層は、Sb、Bi及びTeの中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする光ディスク。
9. 請求項８に記載の光ディスクにおいて、前記材料層は、不純物としてAg、In及びGeの中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする光ディスク。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の光ディスクの再生装置において、光学解像限界以下の大きさの記録パターンを前記材料層の粘性が低下する光強度又は温度以上にすることにより該記録パターンを再生することを特徴とする再生装置。